Les LOIS de la physique et de la chimie :

Dans le cadre des Sciences physiques et de la chimie, de nombreux phénomènes naturels sont décrits par des LOIS, une loi est généralement valable dans un "domaine de la nature" et pas dans d'autres. Ces lois semblent rester identiques quand le temps change : elles ne dépendent pas du temps, du moins dans leur domaine d'application.

L'emploi du mot LOI peut faire penser à "l'obéissance" suivie par de nombreux phénomènes naturels vis à vis de ces Lois, néanmoins pour être plus précis, ces LOIS scientifiques permettent des représentations (à l'aide de symboles et tracés notamment), prévisions et explications de nombreux phénomènes naturels. On choisit parfois aussi le mot Principe plutôt que Loi.

Les LOIS s'expriment souvent en utilisant le langage mathématique (notions, symboles et logique mathématique) : citons comme exemples la seconde loi de Newton (à droite), les  Equations de Maxwell en électromagnétisme et la Relativité restreinte.

Exemples de LOIS en physique et chimie :

- Chimie "classique" : la matière ordinaire est formée de noyaux et d'électrons (particules électriquement chargées), un noyau entouré d'électron(s) est un atome ou un ion (qui sont des éléments chimiques, l'atome est électriquement neutre contrairement aux ions). Un élément chimique (par exemple l'or) est caractérisé par le nombre de charges électriques Z de son noyau (pour l'or Z= 79) et noté par un symbole (le symbole de l'or est Au) : un élément chimique peut exister sous différentes formes, l'or par exemple existe à l'état métallique (Au) ou sous forme d'ions (Au³⁺).

LOI de chimie (conservation des éléments chimiques): au cours de toute transformation chimique de la matière ordinaire les noyaux et les électrons des réactifs ne font que se recombiner : le nombre d'élements chimiques de chaque type contenu dans les réactifs se conserve.

- Mécanique classique (mécanique de Newton) : Elle s'applique à la matière ordinaire et généralement pour des systèmes macroscopiques. 

Seconde loi de Newton : Dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle des forces extérieures (notée F_ext) appliquées à un solide est égale au produit de la masse du solide par le vecteur accélération de son centre d’inertie (notée a_G). 

Notation : F_ext =m.a_G   (les lettres en gras sont des vecteurs)  

Les mathématiques définissent la notion de vecteur et l'addition de vecteurs : un vecteur est défini par une direction, un sens et une norme (la valeur en physique) et la somme de vecteurs est un vecteur (on représente cela par des schémas : une "flèche" pour un vecteur et "un triangle" pour la somme de deux vecteurs); dans le cas ci-dessus on ajoute les forces extérieures s'appliquant sur le solide (notation pour cette somme F_ext = ∑ f_ext ). L'accélération a_G est non nulle quand une ou des caractéristiques de la vitesse (direction ou valeur par exemple) change(nt).                                        

THEORIES : que disent les LOIS de la physique et de la chimie ?

Les physiciens et chimistes vont donc utiliser ces LOIS (par exemple à l'aide de mathématiques et raisonnements logiques, dans des démonstrations) pour obtenir des détails, informations, histoires, explications sur de nombreux phénomènes.

- Chimie "classique" :

Conséquence de la LOI de conservation des éléments chimiques : au cours de toute transformation chimique d'un système de matière ordinaire, la MASSE du système (ainsi que sa charge électrique) ne varie pas.

Exemple : lorsque le dihydrogène (symbolisé par H₂) et le dioxygène (symbolisé par O₂) se transforment (combustion) en eau (symbolisée par H₂O), la loi de conservation des éléments chimiques permet de prévoir que, dans le cas où les réactifs sont entèrement transformés en eau, la masse des réactifs (H₂ et O₂ ) est égale à la MASSE d'eau formée, on ecrit aussi une équation bilan symbolisée par 2 H₂ + O₂ → H₂O + H₂O (les quatre H et les deux O se conservent).

- Mécanique classique (mécanique de Newton) :  

Conséquences de la Seconde loi de Newton : la mécanique de Newton est déterministe, notamment,

Dans un référentiel galiléen, si on considère un solide sur lequel ne s'applique aucune force (ou sur lequel s'appliquent des forces qui se compensent) le mouvement de son centre d'inertie est rectiligne et uniforme (le centre d'inertie du solide se déplace à vitesse constante en ligne DROITE). Ce résultat explique la "tendance" du centre d'inertie d'un objet terrestre (comme un véhicule sur une route recouverte de glace) à se déplacer en ligne droite en conservant sa vitesse, ces sont les forces extérieures s'appliquant sur l'objet qui font varier la vitesse (en valeur, direction ou sens) et courbent la trajectoire du centre d'inertie.

La seconde loi de Newton permet de déterminer des trajectoires et mouvements de nombreux systèmes (il faut connaître les conditions initiales du mouvement) : citons le cas de l'attraction gravitationnelle de deux corps dont l'un a une masse bien plus grande que l'autre, notamment le mouvement d'une planète du fait de l'attraction gravitationnelle du Soleil, ou le mouvement d'un astéroïde ou d'un satellite du fait de l'attraction gravitationnelle de la Terre (les trajectoires sont alors des coniques). Par exemple, l'image de gauche (en haut) représente trois trajectoires d'un corps M sous l'effet de l'attraction d'un second corps beaucoup plus massif : l'ellipse pour e < 1 (si e = 0, c'est un cercle), la parabole pour e = 1 ou l'hyperbole pour e > 1, (e est un paramètre appelé excentricité). Pour l'attraction de deux corps, on apprend que les planètes, confinées autour du Soleil, décrivent ainsi des ellipses dont un des foyers est occupé par le centre du Soleil, on connait aussi la position M du centre d'inertie de la planète à chaque instant (il faut disposer des conditions initiales du mouvement).

En réalité pour plus de précisions sur les mouvements il faut étudier des systèmes de plus de deux corps (au moins trois corps), les calculs et développements ainsi que les trajectoires peuvent alors devenir complexes (voir théorie du chaos, systèmes non intégrables, etc) : par exemple dans le système solaire la planète Jupiter qui est massive influence ainsi des mouvements d'astres autour du Soleil.

Donnons enfin le cas de la trajectoire de projectiles à la surface d'une planète sous l'effet de son champ de gravitation de valeur g à sa surface (par exemple la Terre où g = 9,8 ms^-2), en négligeant l'effet des autres forces notamment celles exercées par l'atmosphère : la seconde loi de Newton donne une trajectoire qui est généralement une parabole, dans le cas de la chute libre sans vitesse initiale (image à gauche de la balle de tennis M) la trajectoire est un segment de droite et la distance parcourue depuis l'instant initial (balle immobile) est donnée par la formule h = 0,5.g.t² ( t en secondes et h en mètres). La formule précédente ne dépend pas de la masse du système dont on étudie le mouvement : par exemple les centres d'inertie d'une plume et d'une bille de plomb ont le même mouvement à la surface de la Lune notamment parce que la seule cause du mouvement est l'attraction gravitationnelle de la Lune. Lorsque les effets de l'atmosphère sur le mouvement du système ne sont plus négligeables les résultats sont différents, on observe par exemple des vitesses limites (la vitesse parfois reste presque constante), des trajectoires non planes : chute d'une feuille d'arbre, objet (plume, planeur) qui plane, ....

On peut définir l'énergie mécanique de certains systèmes : c'est la somme de deux types d'énergies, l'énergie cinétique (due aux vitesses du système) et l'énergie potentielle (qui dérive de forces particulières s'appliquant sur le système) ; on montre alors que l'énergie mécanique varie en fonction de certains types d'échanges et que lorsque ces échanges sont nuls l'énergie mécanique se conserve. Par exemple l'énergie mécanique des systèmes M de l'image de gauche se conserve.

Il existe des Lois plus fondamentales ou générales dont découlent d'autres lois moins fondamentales ou moins générales : ces lois plus fondamentales ou générales sont valables dans un domaine plus vaste englobant les domaines de ces lois moins fondamentales ou moins générales. Mais le plus souvent ces derniers types de lois sont découverts historiquement avant les Lois plus fondamentales (→Sciences physiques et Histoire) et concernent des phénomènes courants ou habituels de notre vie, ces lois sont souvent plus simples ou "faciles d'emploi" pour les physiciens ou chimistes (bien que des développements de ces lois soient complexes dans certains domaines) : notamment ces lois peuvent être des approximations ou simplifications de LOIS plus fondamentales ou générales. Par exemples :

-Les lois de la chimie : la chimie "classique" développée au XIX^e siècle permet d'étudier les transformations chimiques, cette chimie utilise la loi de conservation de l'élément chimique et des modèles atomiques ou moléculaires (par exemple des "boules" colorées que l'on peut assembler ou les représentations symboliques de Lewis avec des lettres comme H, C, O,  ...). Cette chimie est très utile en biologie pour comprendre le vivant notamment la cellule et son métabolisme ainsi que l'organisme humain. Les lois de la chimie "classique" se déduisent des lois plus fondamentales de la physique quantique : la liaison chimique entre atomes ou éléments chimiques (qui explique l'existence et les structures de nombreux matériaux et systèmes matériels de la nature) est bien mieux comprise en physique quantique qu'en chimie "classique", il existe notamment une chimie quantique. De plus, le domaine de la physique quantique, qui est plus vaste et contient le domaine de la chimie "classique", inclut des phénomènes se déroulant dans des systèmes comme des matériaux de l'électronique, des corps très froids comme l'hélium liquide superfluide, des noyaux subissant des transformations nucléaires (radioactivité, fusion, ...), des étoiles ou l'univers à ses débuts (systèmes que la chimie "classique" ne décrit pas vu qu'ils sont hors de son domaine). La physique quantique qui est probabiliste n'est pas déterministe.

Actuellement en biologie, notamment dans l'organisme humain, on suppose que de nombreux phénomènes sont de nature "purement" quantique (voir biologie quantique : enzymes, odorat, mutation de l'ADN, orientation magnétique d'animaux, synthèses chlorophylliennes, ...)

→https://www.radiofrance.fr/franceculture/podcasts/la-science-cqfd/biologie-quantique-la-nouvelle-mecanique-du-vivant-2606192.

Quelques questions fondamentales sur le vivant et les sciences (questions difficiles pour ceux qui sont motivés par l'investigation et la recherche) :→ Questions sur le vivant. 

-Les lois physiques du mouvement : les mouvements de systèmes matériels ponctuels (mouvement d'un projectile par exemple) décrits comme conséquence de la seconde loi de Newton (F_ext =ma_G ) et la loi de gravitation universelle de la matière de Newton, se déduisent (dans les conditions du domaine classique) des théories de la relativité d'Einstein : en effet, la relativité restreinte donne la loi F_ext =ma_G (dans le cas des faibles vitesses par rapport à la vitesse de la lumière c →approximation du domaine classique), et la relativité générale donne la loi de gravitation de Newton (dans la limite des champs gravitationnels faibles et de vitesses assez faibles), loi qui peut être formulée comme une équation de Poisson pour le potentiel gravitationnel.

De plus, la théorie de Newton n'explique pas de nombreux phénomènes expliqués par les deux théories de la relativité d'Einstein, notamment les mouvements de particules relativistes (de vitesses proches de la vitesse c de la lumière) ou les mouvements de certains astres comme la planète mercure (les anomalies du périhélie), ainsi que l'action de la gravitation sur la lumière, l’existence et les propriétés des trous noirs, l'expansion de l'Univers, ....

En ce qui concerne les mouvements de particules microscopiques décrits par la théorie de Newton, la mécanique classique de Newton apparaît également comme une approximation d’une théorie plus fondamentale : la physique quantique (qui est plus appropriée au niveau microscopique ). En effet, dans le cas de systèmes quantiques possédant un analogue classique, la dynamique newtonienne peut être retrouvée à partir de la mécanique quantique via le théorème d’Ehrenfest, qui établit un lien entre les équations quantiques moyennées et les lois classiques.